Торможение легкового транспортного средства. Часть 1.⁠⁠

Большая часть информации общеизвестна, однако читать что-то в структурированном виде приятно даже если ты прекрасно владеешь темой.

С чего начать? С нажатия на педаль тормоза.

Тормозная система большинства ТС приводится гидравлическим способом.
Краткий обзор гидравлической системы:
Большой ход педали тормоза приводимой мускульным усилием ноги человека, составляющим к примеру, 50 кгс (килограмм-сил) по принципу рычага преобразуется в малый ход поршней главного тормозного цилиндра с усилием кратно большим соотношению между большим и коротким плечами.
Если длина плеча рычага от точки приложения силы до оси педали тормоза – 400 мм (зелёный отрезок), а от оси педали до оси толкателя – 80 мм (красный отрезок), значит 50 кгс превратятся в 50 кгс * 400 мм / 80 мм = 50*5 кгс = 0,25 тонн-сил.

Однако такого усилия всё ещё недостаточно для эффективного торможения, поэтому используется вакуумный усилитель тормозов:

В исходном состоянии в передней и задней камерах создаётся разрежение (давление ниже атмосферного), для чего из вакуумного усилителя высасывается воздух. У атмосферного двигателя для этого используется всасывающая сила поршней двигателя и разрежение берётся от впускного коллектора. У турбированного двигателя разрежение создаётся вакуумным насосом.
Камеры связаны между собой вакуумным каналом.
Задняя камера дополнительно связана с атмосферой атмосферным каналом.
При нажатии на педаль тормоза каналы перекрываются, либо закрываются следящим клапаном.

Перед началом торможения:
– вакуумный канал открыт;
– атмосферный канал закрыт;

– давление в передней и задней камерах одинаково и почти равно нулю (разрежение);

– поэтому результирующее воздействие на диафрагму отсутствует.

При нажатии на педаль тормоза:
– вакуумный канал перекрывается;
– атмосферный канал открывается;

– в заднюю камеру поступает атмосферный воздух;

– между передней и задней камерами создаётся разница давлений;
– возникшая разница давлений смещает диафрагму пропорционально силе нажатия на педаль тормоза, после чего атмосферный и вакуумный каналы перекрываются (логика работы следящего клапана реализована чисто механически).
– система приходит в стабильное состояние, повышенное давление в задней камере с большой силой сдвигает диафрагму, а диафрагма, помогая ноге водителя, воздействует на поршни главного тормозного цилиндра.

Если в этот момент водитель ослабит нажатие на педаль тормоза
– вакуумный канал откроется до тех пор пока
– разница давлений между передней и задней камерой не измениться пропорционально усилию на педали тормоза, после чего
– вакуумный канал опять закроется и система снова придёт в стабильное состояние.

Если водитель усилит нажатие на педаль тормоза
– откроется атмосферный канал и
– разница давлений между передней и задней камерой повысится пропорционально усилию на педали тормоза, после чего
– атмосферный канал закроется.

При нажатии педали тормоза в пол атмосферный канал полностью открывается, а вакуумный полностью закрывается.
При этом между передней и задней камерами разница давлений примерно в 1 атмосферу, тоесть в 1 кгс/см². Много это или мало? У меня дома как раз лежит разобранный усилитель от BMW N42. Измерил диаметр его диафрагмы – 25 см.
Площадь диафрагмы – 490, 8739 см². Пусть 0,8739 – это паразитная площадь штоков диафрагмы (для удобства).
Положим, что эффективность вакуумного насоса, позволяет создать в передней камере разряжение до 0,1 атмосферы (1 кгс/см²). Отсюда, разница давлений – 1 - 0,1 = 0,9 кгс/см².
490 см * 0,9 кгс/см² = 441 килограмм-сила. Намного большее усилие чем способен создать человек.

В случае отказа вакуумного усилителя тормозов из-за выхода из строя следящего клапана, повреждения вакуумной магистрали, или банального выключения двигателя, водитель сможет тормозить только используя собственную мускульную силу.

Главный тормозной цилиндр (ГТЦ) конструктивно состоит из двух поршней в одном цилиндре.
Так сделано для увеличения надёжности системы: тормозная жидкость, нагнетаемая одним поршнем приводит тормозные механизмы только двух колёс из четырёх, например, левого переднего и правого заднего, а вторым - правого переднего и левого заднего.
В случае отказа одного из контуров из-за разгерметизации, машина будет тормозить только одним передним и одним задним колесом.

Давление в тормозной гидравлике.
Диаметр поршней ГТЦ в среднем составляет 1 дюйм (2,54 см, для большинства авто), отсюда площадь поршня – 5.0671 см², или ровно 5 см² (отбросим 0,6 см² на площадь штока).
При максимальном усилии на педали тормоза в 50 кгс и использовании вакуумного усилителя от BMW N42, на эти 5 см² придётся воздействие 250 кгс + 441 кгс = 691 кгс.
Максимальное давление составит 691 кгс / 5 см² = 138 кгс/см².
На практике, максимальное давление в тормозной гидравлике большинства автомобилей составляет 100 кгс/см². У более продвинутых ТС оно может достигать 150 кгс/см² благодаря тому что помимо вакуумного усилителя, ноге также помогает насос ESP (ABS). Насос ESP может и больше, 150 кгс/см² – чисто электронное ограничение по достижении которых открывается перепускной клапан.

Ход педали тормоза.
Как я уже написал выше, большой ход педали тормоза преобразуется в малый ход поршней ГТЦ.
Давление тормозной жидкости вырастает до максимального не мгновенно, а после того как:
– Выдвинутся поршни тормозных механизмов и прижмут колодки к тормозному диску;
– Деформация тормозных магистралей, а также колодок, поршней суппорта и самого суппорта не уравновесится с давлением. Несмотря на то что все перечисленные элементы выполнены из металла, такое большое давление достаточно чувствительно.

Чем больше площадь поршней ГТЦ, тем больший объём тормозной жидкости они вытеснят за равную длину хода, но тем большее усилие воздействия на шток понадобится для создания требуемого давления жидкости.
С другой стороны, чем меньше площадь поршней ГТЦ - тем меньшее усилие воздействия на шток необходимо для развития требуемого давления, но в то же время потребуется бОльший ход поршней (и педали), для того чтобы вытеснить необходимый объём жидкости.

Пример для наглядности:
Чтобы создать требуемые 100 кгс/см² с поршнем площадью 5 см², требуется 500 кгс на штоке.
Чтобы создать требуемые 100 кгс/см² с поршнем площадью 2,5 см², требуется 250 кгс на штоке.

Однако, если за ход длиной 2 сантиметра, поршень 5 см² вытеснит аж 10 см³, то поршню площадью 2,5 см² для того же объёма вытесненной жидкости понадобится в два раза больший ход (4 см).

Длинноходовая и короткоходовая педаль тормоза.
Чем больше площадь поршней ГТЦ – тем меньше ход педали тормоза и тем выше комфорт водителя, так как для торможения не требуется размашистое движение ногой, однако тем сложнее дозировать тормозное усилие.

Чем меньше площадь поршней ГТЦ – тем больше ход педали тормоза и тем легче водителю дозировать усилие на ней (ценой снижения эргономичности).
Как правило, на гражданских автомобилях используются короткоходовые ГТЦ, а на спортивных – длинноходовые.

Продолжение – в части 2.